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巧用DIS实验突破牛顿第二定律瞬时性的教学难点

范文

王伟伟++王中宇

摘要：牛顿第二定律的内容是物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向始终与合外力的方向一致。牛顿第二定律的瞬时性是指物体的加速度与合外力同时产生、同时变化、同时消失。应用牛顿第二定律的瞬时性解决弹簧和绳连接物的问题，在各类考试试卷中屡见不鲜。本文结合笔者的物理教学实践，介绍如何运用DIS实验突破这一教学难点。

关键词：牛顿运动定律；瞬时性；弹力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）12-0050-2

1 典型例题

如图1，A、B两个质量均为m的小球之间用一根轻绳（不计质量）连接，并用轻弹簧悬挂在天花板上，两小球均保持静止。若用火将细绳烧断，则在绳刚断的这一瞬间，A、B两球的加速度大小分别是多少？

学生的困惑：火将细绳烧断瞬间，弹簧和绳子的弹力都会发生变化，具体是怎样的情况根本说不清楚。

设计DIS实验解决困惑：为了更好地理解绳和弹簧弹力在突变时的特点，运用DIS的通用软件设计演示实验，通过实验图像的对比，让学生更好地理解这一难点。

实验器材两个力传感器，计算机，数据采集器，铁架台（带铁夹），细线，弹簧，50克的钩码，剪刀或者打火机。

实验过程

（1）组装成如图2的实验装置示意图。

（2）开启电源，运行DIS（朗威）应用软件，进入“通用软件”界面。

（3）点击“组合图线”，然后点击“添加图线”，X轴选时间，左Y轴选择F1，图线颜色选“红色”，线性选择“实线”。

（4）再点击“添加图线”，X轴选时间，左Y轴选择F2，图线颜色选“黑色”，线性选择“实线”。

（5）点击“调零”，然后点“开始”实验。

（6）烧断细线，两个传感器分别记录弹簧弹力和绳弹力随时间变化的情况。

（7）然后利用图线控制调整图线的大小。

（8）通过实验图像（图3）的对比，得出实验结论。

实验注意事项

钩码的质量大一些，细绳的弹性要小。

弹簧和细绳的弹力随时间变化的图像（图3）。

2 实验结论

两个力在同一坐标系下的图像对比，得知在细绳烧断瞬间，弹簧的弹力（红色图线）还未变化，而绳子的弹力（蓝色图线）已经变化。所以在处理实际问题时，建立如下两种模型：

（1）“轻绳”模型：轻绳的重力可忽略，发生形变产生弹力。若断后，其中弹力立即消失。

（2）“轻弹簧”模型：轻弹簧的重力可忽略，因其发生形变需要一定时间，其弹力不能发生突变，但当弹簧和橡皮筋被剪断瞬间，其所受的弹力可以看成不变。

3 说明

在动力学问题中，物体受力情况在某些时候会发生突变。根据牛顿第二定律的瞬时性，物体受力发生突变时，物体的加速度也会发生突变，突变时刻物体的状态称为瞬时状态。分析某一时刻的瞬时加速度，要分两步，先明确瞬间前物体所受各力的大小和方向；再明确瞬间后哪些力不变，哪些力突变，即分析瞬时前后的受力情况及运动状态，再由牛顿第二定律求出瞬时加速度。

通过DIS实验，让学生更好地理解绳和弹簧弹力的区别，进而学会处理瞬时性问题。

参考文献：

[1]高中物理拓展型课程Ⅰ第一册（试用本）[M].上海：科学技术出版社，2007.

[2]上海市中学物理课程标准[M].上海：上海教育出版社，2004.

[3]周智良.新课程背景下城乡一体化物理教育网络教研研究初步报告[J].物理教学探讨，2015，33（6）：1—2.

（栏目编辑王柏庐）

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